연구용원자로의 고속중성자 조사장치{The fast neutron irradiation facility of a research reactor}

본 발명은 연구용원자로의 고속중성자 조사장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연구용원자로의 반사체 외곽 영역에 핵연료를 배치하여 노심으로부터 반사체 바깥으로 누출되는 중성자와 핵분열 반응을 일으킴으로써, 고순도의 고속중성자장을 얻을 수 있음과 동시에, 고속중성자용 조사공을 노심 외부에 설치함으로써 조사공 및 조사대상물질이 노심반응도에 미치는 영향을 줄이는 한편, 사용후 핵연료를 다시 사용함으로써 핵연료의 이용을 극대화시킬 수 있는 연구용원자로의 고속중성자 조사장치에 관한 것이다.

연구용원자로는 핵분열 연쇄 반응에서 생기는 중성자를 연구목적으로 이용하는 원자로로서 열중성자 및 고속중성자의 이용이 연구용원자로의 대표적인 목적이다. 열중성자를 주로 이용하는 연구용원자로에서는 노심을 중성자 감속능력이 뛰어난 물질인 중수나 베릴륨 등으로 구성된 반사체로 둘러싸서 노심으로부터 누출되는 고속중성자를 감속시켜 반사체 영역에서 높은 열중성자속을 얻을 수 있다. 이는 반사체 영역이 넓어 반사체 영역에 실험 및 조사장치를 설치하는 것이 노심 내부에 설치하는 것보다 쉽고, 실험이 원자로 운전에 미치는 영향도 적기 때문이다.

이때 노심에서 생성되는 고속중성자가 최대한 반사체로 누출되도록 설계하면, 노심외부의 반사체 영역에서 고속중성자가 반사체와의 충돌에 의해 에너지가 감소되어 열중성자로 변환되므로, 반사체 영역에서 얻을 수 있는 최대 열중성자속이 노심에서 얻을 수 있는 열중성자속보다 훨씬 높다. 이를 위해서는 원자로의 임계 유지와 안전한 냉각을 위하여 꼭 필요한 핵연료, 냉각재, 제어재를 제외한 다른 물질이나 실험 장치를 노심 내부에는 두지 않아야 한다. 결국 노심의 부피는 최소화되고, 노심의 단위 부피당 핵연료 장전량은 최대화하여 반사체 영역에서 높은 열중성자속을 얻을 수 있게 된다.

그러나 핵분열시 발생하는 고속중성자를 이용하는 조사실험을 위해서는 핵분열이 일어나는 노심 내부나 노심과 매우 근접한 부분에 조사공을 설치할 수 밖에 없게 되고, 이에 따라 고속중성자 조사장치를 위한 조사공이 노심의 부피를 증가시켜 반사체에서의 열중성자속을 감소시키는 원인이 된다.

도 1 및 도 2는 종래의 연구용 원자로의 구성을 보여주는 도면으로서, 도 1은 호주의 OPAL연구로의 노심과 여러 가지 노내 실험장치들의 평면도이며, 도 2는 중국의 CARR연구로의 노심과 여러 가지 노내 실험장치들의 평면도를 보여주고 있다.

도 1 및 도 2에 도시된, 호주의 OPAL연구로와 중국의 CARR연구로는 노심(110, 210)이 핵연료, 냉각재, 제어재로만 구성되어 있으며, 조사공(120, 220)이 노심내부에 설치되지 않고 반사체(130, 230) 영역에 퍼져있다. 따라서 노심(110, 210)의 부피가 최소화되고 반사체(130, 230) 영역이 넓어지면서 높은 열중성자속을 얻을 수 있지만, 핵분열시 발생하는 고속중성자가 반사체(130, 230)와의 충돌에 의해 에너지가 감소되므로 고순도의 고속중성자속을 얻기에는 어려움이 있다.

도 3은 종래의 연구용 원자로의 다른 구성을 보여주는 도면으로서, 한국의 연구용원자로인 하나로의 노심과 여러 가지 노내 실험장치들의 평면도를 보여주고 있다.

도 3에 도시된 바와 같이 하나로의 구조는, 핵연료 다발로 구성된 노심(310)과 상기 노심(310)을 둘러싸고 위치한 반사체(330)와 상기 반사체(330) 내에 산개하여 설치되어 있는 다수의 조사공(320)으로 구성된다. 또한, 노심(310)에는 핵연료(312) 집합체들이 장전되어 있으며, 그 중앙에는 노심(310)에서 발생되는 고속중성자를 이용한 조사실험을 위한 3개의 고속중성자 조사공(314)이 형성되어 있다.

이와 같이, 노심(310) 내부에 배치된 고속중성자 조사공(314)의 영향으로, 하나로는 반사체(330)에서의 출력 대비 열중성자속이 노심 내부의 고속중성자 조사공을 배제한 연구로에 비해 낮을 뿐만아니라, 도 3에서 나타나는 바와 같이 고속중성자 조사공(314)의 크기가 핵연료다발 하나의 크기밖에 되지 않아 NTD조사와 같은 큰 규모의 조사실험은 불가능하다.

또한, 노심(310) 내부 영역에서는 고속중성자뿐 아니라 높은 열중성자장과 감마선장이 함께 혼재하고 있으므로 고순도의 고속중성자속을 이용한 조사실험이 어렵고, 노심(310)영역이므로 열중성자나 감마선의 차단 장치를 구현하기도 어렵다. 더욱이, 조사실험에서 조사공 및 조사대상물질이 노심 반응도에 미치는 영향을 고려할 때 조사실험의 범위가 극히 제한적일 수 밖에 없다.

이와 같이 종래의 연구용원자로에서는, 고속중성자를 이용함에 있어 고속중성자 조사공이 노심 외부에 존재할 경우, 노심에서 발생된 고속중성자가 반사체와의 충돌에 의해 에너지가 감소되어 고순도의 고속중성자속을 얻기가 힘들고, 반면에 고속중성자 조사공이 노심 내부에 존재할 경우, 조사공 및 조사대상물질이 노심반응도에 미치는 영향이 높은 문제점이 있었다.

본 발명은, 기존의 고속중성자 조사장치에 비해 보다 높은 고순도의 고속중성자속을 얻을 수 있으면서도 조사실험에서 조사공 및 조사대상물질이 노심 반응도에 미치는 영향을 저감시킬 수 있는 연구용원자로의 고속중성자 조사장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 기술적 사상으로서의 본 발명은, 노심과 노심을 둘러싼 반사체가 수조에 잠긴 형태로 구성된 연구용원자로에 설치되는 고속중성자 조사장치에 있어서, 상기 반사체의 외벽에 밀착되어 구성되며, 다수의 관통공을 갖는 알루미늄 블록과, 상기 다수의 관통공 내에 삽입되는 핵연료와, 상기 알루미늄 블록의 타측면에 밀착되어 구성되는 고속중성자 조사공 블록을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연구용원자로의 고속중성자 조사장치를 제공한다.

본 발명에 따른 연구용원자로의 고속중성자 조사장치는, 연구용원자로의 반사체 외곽 영역에 핵연료를 배치하여 노심으로부터 반사체 바깥으로 누출되는 중성자와 핵분열 반응을 일으킴으로써, 고순도의 고속중성자장을 얻을 수 있음과 동시에, 고속중성자용 조사공을 노심 외부에 설치함으로써 조사공 및 조사대상물질이 노심반응도에 미치는 영향 때문에 불가능했던 조사실험이 가능해진다. 또한 노심에서 연소된 후 버려지는 사용 후 핵연료를 다시 사용함으로써 핵연료의 이용을 극대 화시키는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 구성은 기존의 연구용원자로에 적용 가능한 구성으로서, 노심 및 반사체 내부의 구성은 그대로 유지한 채 반사체 외곽 영역에 고속중성자 조사장치만 추가 배치함으로써 설비추가에 대한 부담이 적다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면에 의거하여 상세하게 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 연구용원자로에 고속중성자 조사장치를 설치한 모습을 보여주는 도면이다.

도 4에 도시된 바와 같이 연구용원자로의 구조는, 핵연료 다발로 구성되어 원자로의 중심에 위치하는 노심(410)과, 노심(410)을 둘러싸고 위치하며 중성자 감속능력이 뛰어난 물질인 중수나 베릴륨 등으로 구성되는 반사체(430)와, 조사실험을 위해 상기 반사체(430) 영역에 산개하여 배치된 조사공(420)으로 이루어져 있으며, 반사체(430)의 외곽은 반사체 탱크(432)로 밀봉되어 노심(410) 및 반사체(430)가 냉각수로 채워진 수조(450)에 잠겨있는 형태로 구성된다.

본 발명에 따른 고속중성자 조사장치(440)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 반사체 탱크(432) 외벽 일측에 밀착되어 수조(450)에 잠긴 상태로 구성되며, 핵연료(442) 집합체가 장전되는 알루미늄 블록(446)과 고속중성자 조사공(444)이 형성되어 있는 고속중성자 조사공 블록(448)으로 이루어진다.

이와 같이 구성된 본 발명의 고속중성자 조사장치(440)의 동작원리를 살펴보면, 먼저, 노심(410)에서 핵분열 반응에 의해 고속중성자가 발생된다. 이때 발생된 대부분의 고속중성자는 반사체(430)에 충돌해 에너지가 감소되어 열중성자가 되며, 이러한 열중성자들은 반사체(430) 영역에 산개되어 배치된 조사공(420)을 통해 조사실험에 사용되고, 일부는 반사체(430) 외곽으로 누출된다.

이와 같이 반사체(430) 외곽으로 누출되는 열중성자는 본 발명의 구성에 따라 반사체 탱크(432) 외곽에 배치된 고속중성자 조사장치(440)의 핵연료(442)와 핵분열 반응을 일으키게 되고 이에 따라 발생되는 고속중성자에 의해 노심(410) 내부가 아닌 반사체(430) 외곽 영역의 고속중성자 조사공(444)에서 고속중성자장을 형성할 수 있게 된다.

또한, 반사체(430) 외곽에 장전되는 핵연료(442)와 노심(410)으로부터 반사체(430) 바깥으로 누출되는 열중성자와 핵분열 반응시 발생하는 열은 기존의 수조(450)에 의한 자연 대류 냉각만으로 충분하므로 이에 대한 별도의 냉각 장치는 필요하지 않게 된다.

도 5는 본 발명에 따른 고속중성자 조사장치의 구성을 보다 상세히 보여주는 도면이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 연구용원자로의 반사체 탱크(432) 외벽 일측에 배치된 고속중성자 조사장치(440)는, 복수의 관통공을 갖는 알루미늄 블록(446)과, 상기 알루미늄 블록(446)의 관통공 내에 삽입되는 핵연료(442)와, 상기 알루미늄 블록(446) 타측면에 밀착되어 위치하며, 고속중성자 조사공(444)이 형성된 고속중성자 조사공 블록(448)으로 구성된다.

이와 같은 구성으로 이루어진 고속중성자 조사장치(440)는, 노심으로부터 반사체(430) 바깥으로 누출되는 열중성자와 핵분열 반응을 일으켜 고순도의 고속중성자장을 형성한다. 이때, 고속중성자 조사장치의 핵연료(442)는 사용후 핵연료나 신규의 핵연료를 모두 사용할 수 있으며, 다른 원자로용 핵연료의 사용도 가능하다. 본 실시예에서는 18봉 핵연료 13다발을 핵연료(442)와 반사체 탱크(432)와의 간격 및 각각의 핵연료(442) 사이 간격을 약 2mm씩 두어 알루미늄 블록(446)에 배치하였다.

알루미늄 블록(446)은 복수의 핵연료(442)가 장전될 수 있도록 복수의 관통공을 가진다. 또한 알루미늄 블록(446)에 장전된 핵연료(442)와 반사체(430) 바깥으로 누출되는 열중성자와의 핵분열 반응시 발생하는 열은 반사체(430) 외곽에 존재하는 수조에 저장된 냉각수의 자연 대류만으로도 충분한 냉각이 가능하므로, 노심에서와 같이 냉각수의 강제유동을 형성할 필요가 없고, 이에 따라 상기 알루미늄 블록에는 핵연료의 고정을 위한 별도의 고정장치를 설치할 필요가 없다.

고속중성자 조사공 블록(448)은 납으로 구성되며, 내부에 조사용 물질을 수납하기 위한 조사공으로 사용되는 관통공이 형성되어 있다. 이와 같이 고속중성자 조사공 블록(448)을 납으로 형성함으로써 고속중성자 조사공(444)에 입사되는 감마선을 효과적으로 차단할 수 있다. 또한 고속중성자 조사공(444) 둘레에 붕소 등과 같은 열중성자에 대한 흡수율이 큰 물질을 도포하면 보다 순도 높은 고속중성자장 을 획득할 수 있다.

본 실시예에 사용된 고속중성자 조사공 블록(448)은 납으로 이루어진 블록에 직경 20cm의 고속중성자 조사공(444)을 설치하였고, 고속중성자 조사공(444) 내주면에는 두께 4mm의 붕소러버(boron rubber, 445)를 설치하여, 열중성자를 차폐하도록 하였다. 이와 같은 구성을 통해, 본 발명에 따른 고속중성자 조사공(444) 내부에서는 감마선과 열중성자가 차단된 고순도의 고속중성자속을 얻을 수 있게 된다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백하다 할 것이다.

본 발명의 장치와 방법을 실제 이용하면, 강전용 실리콘 웨이퍼의 성능 향상을 위한 고속중성자 조사가 가능하게 되며, 토파즈나 다이아몬드 등 보석의 발색을 위한 조사용도로 사용할 수 있다. 또한 고속중성자 조사가 열중성자 조사에 비해 멤브레인 생산에 있어 효과적임에 따라 본 발명을 이용해 대규모의 멤브레인 생산이 가능하다.

도 1은 종래의 연구용 원자로의 구성을 보여주는 도면.

도 2는 종래의 연구용 원자로의 다른 구성을 보여주는 도면.

도 3은 종래의 연구용 원자로의 또 다른 구성을 보여주는 도면.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 연구용원자로에 고속중성자 조사장치를 설치한 모습을 보여주는 도면.

도 5는 본 발명에 따른 고속중성자 조사장치의 구성을 보다 상세히 보여주는 도면.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

110, 210, 310, 410 : 노심

120, 220, 320, 420 : 조사공

130, 230, 330, 430 : 반사체

312, 442 : 핵연료

314, 444 : 고속중성자 조사공

432 : 반사체 탱크 440 : 고속중성자 조사장치

445 : 붕소러버(boron rubber) 446 : 알루미늄 블록

448 : 고속중성자 조사공 블럭 450 : 수조